Contribuição para as metodologias de identificação e previsão da reação álcali-agregado (RAA) utilizando agregados graníticos e a técnica de microondas

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS. David de Paiva Gomes Neto. CONTRIBUIÇÃO PARA AS METODOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO E PREVISÃO DA REAÇÃO ÁLCALIAGREGADO (RAA) UTILIZANDO AGREGADOS GRANÍTICOS E A TÉCNICA DE MICROONDAS. SÃO CRISTÓVÃO, SE – BRASIL JULHO/2014.

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(3) FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE. Gomes Neto, David de Paiva Contribuição para as metodologias de identificação e previsão da reação álcali-agregado (RAA) utilizando agregados graníticos e a técnica de microondas / David de Paiva Gomes Neto ; orientadora Ledjane Silva Barreto. – São Cristóvão, 2014. 136 f. : il.. G633c. Tese (doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, 2014. O 1. Engenharia de materiais. 2. Reação álcali-agregado. 3. Agregados graníticos. 4. Quartzo. 5. Microondas. I. Barreto, Ledjane Silva, orient. II. Título CDU: 620.193.4.

(4) À minha amada esposa, Tatiene, e ao meu filho querido, Rodrigo. Amor e gratidão, sempre..

(5) “A riqueza real é atributo da alma eterna e permanece incorruptível naquele que a conquistou.” Emmanuel, Espírito. Por Chico Xavier, em Ceifa de Luz..

(6) AGRADECIMENTOS Acima de tudo e de todos, agradeço a Deus, nosso Pai, e a Jesus, nosso Irmão Maior. Sem a permissão do alto, não teria nem começado esta jornada, nem muito menos suportado os obstáculos do caminho;. Aos benfeitores do “invisível” pela inspiração, proteção, condução, pelos conselhos e envolvimentos de calma, paciência, mas respeitando sempre, com muita sabedoria, o meu livre arbítrio e, apesar de tanta ajuda, não me isentar dos grandes esforços e do mérito da conquista;. À minha mãe Lêda e ao meu pai Rubem, pelo amor incondicional e por se dedicarem muito a minha educação integral, como homem na Terra e Espírito imortal;. À minha amada esposa Tatiene, por sua co-orientação, paciência, amor, dedicação e resignação e, ao meu filho, que mesmo tão pequenino colaborou muito para a finalização deste, mesmo quando “na barriga” (Muitos estudos foram feitos na recepção do obstetra, enquanto aguardávamos atendimento!).. Ao meu querido irmão Rubinho que fez seu Doutorado no mesmo período, por me incentivar, aconselhar e trocar experiências;. À minha orientadora, Ledjane, por ter me ensinado com tanta paciência o significado e a importância de uma pesquisa científica e de um Doutorado. Pelas “aulas” de química, por realmente me orientar sem me isentar da responsabilidade de enfrentar o compromisso assumido por mim. Consegui, com sua ajuda, ser mais humilde para entender que pouco sabia e ainda pouco sei. Muito obrigado, professora!. A todos os colegas, bolsistas, professores, funcionários do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e também aos colegas do QUIBIOM pela carinhosa e prestativa recepção. Todos, de alguma forma, contribuíram para o bom andamento dos trabalhos..

(7) Aos professores e funcionários dos Departamentos de Engenharia Civil, Química e Física, que em momentos específicos não faltaram com a boa colaboração.. Agradeço muito especialmente aos professores Herbet, Lourdes Rosa e Vinícius do Departamento de Geologia. Sem esse apoio teria sido difícil;. Agradeço a todos os colegas do IFS, em especial aos vinculados à COED (Coordenadoria de Edificações) que permitiram e apoiaram durante todo o tempo, sem cobranças, organizando meus horários e carinhosamente questionando sobre os meus resultados. Este apoio foi imprescindível;. Ao Instituto Federal de Sergipe e seus gestores pela permissão e respeito para com esta escolha e, também, pelo apoio financeiro;. Aos CNPq, FAPITEC, CAPES, FINEP pelo apoio financeiro, permitindo a obtenção de equipamentos , materiais de consumo e bolsistas de iniciação científica;. Ao Instituto de Química da UNICAMP, representado pela professora Heloise de Oliveira Pastore, que gentilmente realizou as medidas de RMN;. Ao Instituto Tecnológico e de Pesquisas do Estado de Sergipe (ITPS), representado por Claudia Xavier, pelas medidas de ICP/OES e o acolhimento amigável;. E aqueles que por ventura não lembrei neste momento, lembrarei em outros e estarei sempre grato..

(8) Resumo da Tese apresentada ao P²CEM/UFS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais (D.Sc.). CONTRIBUIÇÃO PARA AS METODOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO E PREVISÃO DA REAÇÃO ÁLCALI-AGREGADO (RAA) UTILIZANDO AGREGADOS GRANÍTICOS E A TÉCNICA DE MICROONDAS. David de Paiva Gomes Neto. Julho/2014 Orientador: Profa. Dra. Ledjane Silva Barreto Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. A reação álcali-agregado (RAA) é uma manifestação patológica que ocorre em estruturas de concreto e tem preocupado engenheiros e usuários da construção civil há décadas. Basicamente, é uma reação química decorrente da interação entre os álcalis do cimento e alguns silicatos dos agregados considerados reativos. Agregados do mundo inteiro têm sido estudados e muitas divergências existem quanto à participação dos agregados graníticos na RAA. Este estudo partiu da necessidade de conclusões sobre a influência das características composicionais e microestruturais dos agregados graníticos na ocorrência da RAA e da inadequação dos métodos de ensaios normatizados para a previsão da reação. Diante deste cenário, esta pesquisa apresenta contribuições para a previsão da RAA utilizando o tratamento com microondas para acelerar a formação dos produtos de reação. Para isso, três agregados graníticos do Estado de Sergipe foram usados como referência para a validação da aplicabilidade da técnica. As condições experimentais selecionadas permitiram o rápido acesso às fases minerais responsáveis pela reatividade e a formação de produtos da RAA. Os resultados mostraram que as diferenças no comportamento reacional dos agregados graníticos estão correlacionadas a aspectos morfológicos do quartzo, como a presença de subgrãos de quartzo e de grãos de quartzos deformados..

(9) Abstract of Thesis presented to P²CEM/UFS as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Materials Science and Engineering (D.Sc.). CONTRIBUTION TO THE METHODS OF IDENTIFICATION AND PREDICTION OF ALKALI-AGGREGATE REACTION (AAR) USING GRANITIC AGGREGATES AND MICROWAVE TECHNIQUE. David de Paiva Gomes Neto. July/2014. Advisors: Ledjane Silva Barreto Department: Materials Science and Engineering. The alkali-aggregate reaction (AAR) is a pathological manifestation that occurs in concrete structures and has concerned engineers and users of construction for decades, throughout the world. Basically, it is a chemical reaction resulting from the interaction between alkalis released from cement and some silicates in the reactive aggregates. Aggregates have been studied and there are many disagreements as to the involvement of the granitic aggregates in the AAR. This study was originated from the absence of findings on the influence of compositional and microstructural characteristics of granite aggregates in the occurrence of AAR and the inadequacy of standardized testing methods for the prediction of reaction. This research presents contributions to the methods for prediction of the AAR using microwave treatment to accelerate the formation of reaction products. For this purpose, three granitic aggregates from Sergipe were used as reference for validation of the applicability of the technique. The selected experimental conditions have allowed rapid access to reactive mineral phases and formation of the reaction products. The results have showed that differences in reactive behavior of granitic aggregates are correlated to morphological aspects of quartz, as the presence of quartz subgrains and deformed quartz grains..

(10) SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO. 1. 1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE O TEMA DE PESQUISA. 1. 1.2. JUSTIFICATIVA DA TESE. 5. 1.3. OBJETIVOS. 6. 1.4. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA. 6. 1.4.1.. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO À ÁREA DE. 7. CONHECIMENTO 1.4.2.. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO À SUA NATUREZA. 7. 1.4.3.. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO AOS SEUS OBJETIVOS. 7. 1.4.4.. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO AOS SEUS. 8. PROCEDIMENTOS TÉCNICOS 1.4.5.. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO À FORMA DE. 8. ABORDAGEM DO PROBLEMA 1.5. ESTRUTURA DA TESE. 9. 2. ESTADO DA ARTE. 10. 2.1. DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DA RAA. 10. 2.2. A QUÍMICA E O MECANISMO DA RAA. 13. 2.3. A INFLUÊNCIA DO CIMENTO PORTLAND NA RAA. 16. 2.4. OS AGREGADOS GRANÍTICOS, SUAS MINERALOGIA, MICROESTRURA. 19. E CORRELAÇÃO COM A RAA 2.5. OS MÉTODOS QUÍMICOS E OS AGREGADOS GRANÍTICOS. 26. 2.6. PRINCÍPIO E APLICAÇÕES DA TÉCNICA DE MICROONDAS. 30. 3. METODOLOGIA. 33. 3.1. MATERIAIS EMPREGADOS. 34. 3.2. MÉTODOS EMPREGADOS. 35. 3.2.1.. MÉTODO DE ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DAS CARACTERÍSTICAS. 35. COMPOSICIONAIS, MINERALÓGICAS E TEXTURAIS DOS AGREGADOS GRANÍTICOS NA PREVISÃO DA RAA 3.2.2.. MÉTODO DE AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS EM. 38. MICROONDAS USANDO O AGREGADO GRC 3.2.3.. MÉTODO DE ANÁLISE DO AGREGADO GRC APÓS O USO DA TÉCNICA DE MICROONDAS. 40.

(11) 3.2.4.. MÉTODO DE ANÁLISE DOS AGREGADOS GRA E GRB APÓS O. 41. USO DA TÉCNICA DE MICROONDAS. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DAS CARACTERÍSTICAS COMPOSICIONAIS,. 42 42. MINERALÓGICAS E TEXTURAIS DOS AGREGADOS GRANÍTICOS NA PREVISÃO DA RAA 4.2. AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS EM MICROONDAS. 56. USANDO O AGREGADO GRC 4.3. ANÁLISE DO AGREGADO GRC APÓS O USO DA TÉCNICA DE. 61. MICROONDAS COM AS CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS C/1/200/10 e C/1/200/60. 4.4. ANÁLISE DOS AGREGADOS GRA E GRB APÓS O USO DA TÉCNICA DE. 88. MICROONDAS COM AS CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS A/1/200/60 e B/1/200/60.. 5. CONCLUSÕES. 104. 6. ESTUDOS FUTUROS. 109. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 110.

(12) LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Bloco de fundação do Edifício Apolônio Sales, em Recife (SILVA, 2007).. 3. Figura 2 – (a) e (b) Fissuras e trincas por RAA (SALLES et al., 2010); (c) e (d) Fissuras e trincas por falha estrutural e/ou retração térmica (BARBOSA et al., 2009) .. 11. Figura 3 – Sistema ternário formado pelos feldspatos. Adaptado de KLEIN & HURLBUT JR (1999).. 21. Figura 4 – Representação esquemática da deformação do quartzo e da formação de subgrãos.. 23 33. Figura 5 – Fluxograma da parte experimental. Figura 6 – (a) Moldagem das barras de argamassa; e (b) Leitura das expansões com relógio comparador.. 37. Figura 7 – Difratogramas de raios X dos agregados GRA, GRB e GRC.. 43. Figura 8 – Panorama da lâmina do agregado GRA. (a) Usando nicóis cruzados; e (b) Usando luz plana. (qtz=quartzo; mcl=microclina; mat=matriz tectônica; opc=mineral opaco; hb=hornblenda verde).. 45. Figura 9 – Grãos de quartzo estirados do agregado GRA (RQ = ribbon de quartzo).. 45. Figura 10 – Grão de quartzo recristalizado do agregado GRA. (Sg = subgrão; Sgf = subgrão em formação).. 46. Figura 11 – Grão de microclina do agregado GRA.. 46. Figura 12 – Panorama da lâmina do agregado GRB. (qtz=quartzo; mat=matriz tectônica).. 47. Figura 13 – Grãos de quartzo do agregado GRB.. 48. Figura 14 – Microclina e plagioclásio (mcl=microclina; plg = plagioclásio). no. agregado. GRB.. 48. Figura 15 – Panorama da lâmina do agregado GRC.. 49. Figura 16 – Quartzo recristalizado em subgrãos no agregado GRC: (a) Usando nicóis cruzados; e (b) Usando luz plana. (qtz=quartzo; plg = plagioclásio; mcl = microclina; opc = mineral opaco; cl=clorita).. 50.

(13) Figura 17 – Clorita intersticial e quartzo recristalizado no agregado GRC: (a) Usando nicóis cruzados; e (b) Usando luz plana. (qtz=quartzo; plg = plagioclásio; mcl=microclina; mcl*=microclina alterada; ep=epídoto; cl=clorita).. 51. Figura 18 – Gráfico da sílica dissolvida em função do tempo.. 53. Figura 19 – Gráfico das expansões das barras de argamassa em função do tempo.. 53. Figura 20 – (a) Imagem por MEV do interior de barra de argamassa produzida com o agregado GRC; (b) Detalhe de um poro; e (c) EDS do produto de reação.. 54. Figura 21 – Imagens por MEV do interior de barra de argamassa: (a) produzida com o agregado GRA; (b) produzida com o agregado GRB.. 55. Figura 22 – Gráficos do efeito da variação da temperatura no processo de dissolução da sílica.. 58. Figura 23 – Gráficos do efeito da variação da concentração no processo de dissolução da sílica.. 58. Figura 24 – Gráfico do efeito da variação do tempo no processo de dissolução da sílica.. 59. Figura 25 – Gráficos dos valores de sílica dissolvida após tratamentos em microondas e em banho.. 60. Figura 26 – Teor de óxidos nos sólidos, por FXR, do agregado GRC não tratado e após os tratamentos nas condições C/1/200/10 e C/1/200/60.. 63. Figura 27 – Difratogramas de raios X do agregado GRC não tratado e após os tratamentos nas condições C/1/200/10 e C/1/200/60.. 64. Figura 28 – Espectros do FTIR do agregado GRC não tratado e após os tratamentos nas condições C/1/200/10 e C/1/200/60.. 66. Figura 29 - Espectros de RMN do 29Si para o agregado GRC : (a) não tratado; e (b) tratado na condição C/1/200/60.. 69. Figura 30 - Espectros de RMN do 27Al para o agregado GRC: (a) não tratado; e (b) tratado na condição C/1/200/60.. 72. Figura 31 – Imagens por MEV do agregado GRC: (a) não tratado; (b) tratado na condição C/1/80/8d; tratado na condição C/1/200/10; e (d) tratado na condição C/1/200/60. Destaques associados a imagens posteriores.. 74. Figura 32 – Esquema do processo de dissolução, em escala atômica, de. 75.

(14) um canto de cristal. (U.E. = unidade estrutural). Adaptado de GAUTIER et al. (2001). Figura 33 – (a) Imagem por MEV da superfície do quartzo do agregado GRC antes do tratamento; (b) EDS da superfície do quartzo.. 76. Figura 34 – (a) Imagem por MEV dos grãos de quartzo do agregado GRC após o tratamento C/1/80/8d; (b) EDS da região selecionada do quartzo. (qtz = quartzo; pr = produtos de reação).. 77. Figura 35 – Imagens por MEV: (a) do agregado GRC após o tratamento C/1/200/10; (b) dos contornos dos subgrãos de quartzo; e (c) EDS do quartzo e do produto de reação. (qtz = quartzo; pr = produtos de reação; pt = pites de lixiviação).. 79. Figura 36 – (a) Imagem por MEV dos subgrãos de quartzo do agregado GRC após o tratamento C/1/200/10 (10.000 x); (b) EDS da região selecionada do quartzo. (qtz = quartzo; pr = produtos de reação).. 80. Figura 37 – (a) Imagem por MEV de partículas do agregado GRC após o tratamento C/1/200/60; (b) Detalhe da superfície do quartzo; (c) Detalhe da partícula degradada; (d) EDS do quartzo. (qtz = quartzo; fl = filossilicatos).. 81. Figura 38 – (a) Imagem por MEV de uma partícula do agregado GRC após tratamento na condição C/1/200/10; (b) EDS no modo mapeamento. (qtz = quartzo; F1 e F2 = feldspatos; pr = produto de reação).. 83. Figura 39 - Imagens por MEV e análises por EDS de produtos de reação no agregado GRC após tratamento em microondas. (Q = quartzo; F = feldspato; pr = produto de reação).. 85. Figura 40 - Imagem por MEV e análise por EDS de produtos de reação no interior de barra de argamassa produzida com o agregado GRC. (n = nucleação; cp = camada de produto; fs = fissura).. 87. Figura 41 – Difratogramas de raios X do agregado GRA não tratado e após o tratamento A/1/200/60.. 89. Figura 42 – Difratogramas de raios X do agregado GRB não tratado e após o tratamento B/1/200/60.. 89. Figura 43 – Comparação dos teores de silício em solução, por ICP/OES, após os tratamentos em microondas com os agregados GRA, GRB e GRC.. 90. Figura 44 – Espectros de FTIR do agregado GRA não tratado e após o tratamento A/1/200/60.. 91.

(15) Figura 45 – Espectros de FTIR do agregado GRB não tratado e após o tratamento B/1/200/60.. 91. Figura 46 - Espectros de RMN do 29Si para o agregado GRA: (a) não tratado; e (b) tratado na condição A/1/200/60.. 93. Figura 47 - Espectros de RMN do 29Si para o agregado GRB: (a) não tratado; e (b) tratado na condição B/1/200/60.. 94. Figura 48 - Espectros de RMN do 27Al para o agregado GRA: (a) não tratado; e (b) tratado na condição A/1/200/60.. 96. Figura 49 - Espectros de RMN do 27Al para o agregado GRB: (a) não tratado; e (b) tratado na condição B/1/200/60.. 97. Figura 50 – Imagens por MEV e análises por EDS do agregado GRA após o tratamento A/1/200/60 mostrando: (a) Plagioclásio (à esquerda) e quartzo (à direita); (b) pites de lixiviação no quartzo; e (c) detalhe dos pites de lixiviação.. 99. Figura 51 – Imagens por MEV e análises por EDS do agregado GRB após o tratamento B/1/200/60 mostrando: (a) e (b) superfície do quartzo; (c) pites de lixiviação no quartzo; e (d) detalhe dos pites de lixiviação.. 100. Figura 52 – Redução do teor de sódio em solução, por ICP/OES, após os tratamentos em microondas com os agregados GRA, GRB e GRC. 102. Figura 53 – Representação esquemática do mecanismo da RAA.. 103.

(16) LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Métodos químicos para o estudo da RAA descritos na literatura.. 28. Tabela 2 - Métodos químicos usando a técnica de microondas, com sistemas similares ao proposto na Tese.. 32. Tabela 3 - Nomenclatura, origem, coleta e uso dos agregados selecionados para o estudo.. 34. Tabela 4 - Níveis das variáveis independentes para o uso do agregado GRC em microondas.. 38. Tabela 5 – Descrição dos experimentos em microondas com o agregado GRC.. 39. Tabela 6 - Distribuição dos reatores no forno de microondas.. 39. Tabela 7 - Teor de óxidos dos agregados e do cimento por EDX.. 42. Tabela 8 - Características básicas dos agregados.. 44. Tabela 9 - Resultados da concentração de silício em solução, por ICP/OES, após o uso da técnica de microondas com o agregado GRC.. 57. Tabela 10 - Teor médio de silício em solução e redução do teor de sódio para as condições experimentais C/1/200/10 e C/1/200/60.. 62. Tabela 11 - Intervalos de desvios químicos para os sítios Qn. Adaptado de MITCHEL et al.(2004) e FLORINDO (2009).. 67. Tabela 12 - Intervalos de desvios químicos para os sítios Qnm. Adaptado de FLORINDO (2009).. 67.

(17) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS. ASTM: American Society for Testing and Materials CNPQ: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CP: Corpo de prova CP II Z-32: Cimento Portland composto com pozolanas CREA: Conselho Regional de Engenharia e Agronomia DRX: Difratometria de raios X EDS: Espectroscopia por energia dispersiva de raios X EDX: Espectroscopia por energia dispersiva de raios X FRX: Espectroscopia por fluorescência de raios X FTIR: Espectroscopia no infravermelho com Transformada de Fourier GRA: Agregado granítico milonitizado mais deformado GRB: Agregado granítico milonitizado menos deformado GRC: Agregado granítico com subgrãos de quartzo inferiores a 20 µm ICP-OES: Espectroscopia de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado MEV: Microscopia eletrônica de varredura NBR: Norma Brasileira Qn: Parâmetro indicativo do grau de conectividade do silicato RAA: Reação álcali-agregado RAC: Reação álcali-carbonato RAS: Reação álcali-sílica RMN: Ressonância magnética nuclear VUP: Vida útil de projeto.

(18) 1. INTRODUÇÃO 1.1. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE O TEMA DE PESQUISA Os agregados naturais são conhecidos, usualmente, como os componentes quimicamente inertes usados para a produção de estruturas de concreto. Nas últimas décadas, porém, agregados do mundo inteiro apresentaram reações indesejadas com o cimento Portland, gerando produtos expansivos que provocaram desde microfissuras até trincas nas estruturas, comprometendo a sua durabilidade e, consequentemente, reduzindo a sua vida útil (ROGERS, 1993, WAKIZAKA, 2000, FERNANDES et al., 2004, JENSEN, 2004, ÇOPUROĞLU et al., 2009, FERNANDES, 2009, ŠTRASNÁ et al., 2012). Esta manifestação patológica, conhecida como reação álcali-agregado (RAA), é decorrente de uma interação química entre minerais de alguns agregados considerados reativos e os álcalis liberados, principalmente, pelos cimentos, formando um gel higroscópico expansivo conhecido como o produto da RAA.. Há muitas variáveis envolvidas impossibilitando a definição de um único mecanismo de reação. A enorme variedade de agregados para concreto com diferentes características litológicas, aglomerantes com variadas composições químicas, diversos aditivos químicos e adições minerais, e a diversidade de ambientes de exposição dificultam o estudo conclusivo do seu mecanismo. Isto é demonstrado, em campo ou em laboratório, por produtos de reação com diferentes composições e aspectos morfológicos.. Naturalmente, questiona-se porque o fenômeno não é amplamente exposto, até mesmo no meio técnico de maior interesse. Primeiramente, porque se inicia por uma reação 1.

(19) química, a partir dos materiais básicos do concreto (cimento, agregado e água) dos quais, um deles (o agregado) é normalmente apresentado como material “inerte”, ou seja, para o corpo técnico, este seria sempre o componente que não reagiria quimicamente com nenhum outro. Partindo desta reação química, surgem os produtos de reação que podem ou não ocasionar fissuras no material em períodos curtos ou em até anos após o início da reação, quando já não se esperam mais problemas ocasionados pela escolha dos materiais. Além disso, em virtude da reação exigir alta umidade, no caso das construções prediais, a manifestação ocorre, principalmente, nas fundações, fora do alcance da visão. Os setores mais ocupados com o problema são os das construções que utilizam o concreto para contenção de água e em grande volume (concreto massa), como as estruturas que compõem as barragens. Obras de arte como pontes e viadutos, e pavimentos rígidos em estradas, também podem ser afetados por utilizarem grande volume de material e em constante contato com a umidade.. No caso das edificações habitacionais, um caso específico trouxe forte repercussão no Brasil, chamando atenção da população e dos meios técnico e científico. O colapso do Edifício Areia Branca, em 14 de outubro de 2004, na Região Metropolitana do Recife, que vitimou 04 pessoas, provocou um intenso movimento para descobrir as causas da sua ruína. SILVA (2007) comenta que especulações foram feitas por parte de técnicos apontando o fenômeno da RAA como principal causa do desabamento do Edifício, ideia descartada logo após a divulgação do laudo do CREA-PE que acusou vícios construtivos durante a execução da obra. Com o ocorrido, vários condomínios iniciaram vistorias em suas fundações, prática pouco comum exceto em situações extremas, diagnosticando aproximadamente vinte edifícios residenciais e comerciais com. 2.

(20) fundação comprometida pela RAA na região. A figura 1 ilustra um bloco de fundação do Edifício Apolônio Sales, no Recife, com fissuras e trincas acometidas pela RAA.. Figura 1 - Bloco de fundação do Edifício Apolônio Sales, em Recife (SILVA, 2007).. Além do problema em si, a RAA está inserida em uma discussão mais ampla. A construção civil precisa se modernizar tecnologicamente para produzir mais rapidamente, com alta qualidade e produtividade e com custos menores para atender a demanda crescente por habitações populares e infraestrutura no país, inclusive para atender as demandas da nova norma de desempenho das edificações habitacionais, a NBR 15575 (2013), que direciona as atenções para o problema da vida útil dos diversos sistemas construtivos. A questão da durabilidade das construções tem recebido grande atenção de pesquisadores nos últimos anos motivada pela frequente ocorrência de casos patológicos e ao grande custo associado a reparos.. A NBR 15575 (2013), em sua primeira parte, explica que a durabilidade do edifício e dos seus sistemas é uma exigência econômica do usuário, pois está associada ao custo 3.

(21) do imóvel adquirido e que se extingue quando deixa de cumprir as funções que lhe foram atribuídas, como por exemplo, por degradação. Por isso, estabelece que projetistas, construtores e incorporadores sejam responsáveis pelos valores da Vida Útil de Projeto (VUP), que é um período de tempo estimado para o qual um sistema é projetado a fim de atender aos requisitos estabelecidos pela norma. Tomando como exemplo as fundações em concreto, a VUP mínima estabelecida é de 50 anos, a mesma vida útil do edifício, já que suas falhas trazem perigo à vida e não possibilitam manutenção pela dificuldade de acesso. Isso quer dizer que, mesmo que o projeto e a execução sejam realizados adequadamente, o desconhecimento de características intrínsecas ao material, que o levariam a algum tipo de degradação ao longo do tempo, como a RAA, permitiria o não cumprimento desta exigência.. Isso mostra a necessidade da previsão das manifestações patológicas que podem variar de região para região, devido ao ambiente natural e as características intrínsecas das matérias primas utilizadas nas construções. Não há como prever a resposta de um material em uso, sem que se conheçam suas características. Faz parte dos desafios atuais da pesquisa e desenvolvimento no setor da construção civil, especialmente no Brasil, avaliar e melhorar o desempenho dos materiais, em particular o estudo das manifestações patológicas que afetam diretamente a durabilidade. Conhecendo o comportamento da matéria prima é possível fazer estudos de durabilidade de longo prazo em laboratório e nas obras onde são utilizadas.. 4.

(22) 1.2. JUSTIFICATIVA DA TESE Os agregados afetam diretamente o desempenho das estruturas de concreto, pois são responsáveis pela resistência mecânica, durabilidade e pelo custo final do produto. São matérias primas de difícil controle de qualidade em virtude, principalmente, de sua origem natural, com significativas variações de características e propriedades que dificultam a uniformização de especificações, controle de qualidade e previsão da vida útil do produto final. Essas observações fazem do estudo dos agregados para concreto uma permanente necessidade. O conhecimento de suas características e a simulação do seu comportamento em uso, realizado em laboratório, possibilitam a previsão de muitas manifestações patológicas que possam acometer as estruturas de concreto ao longo do tempo.. O histórico de estudos sobre a identificação e a previsão da RAA com agregados graníticos, nos limites das referências bibliográficas apontadas no capítulo 2, mostrou que as metodologias atuais para a identificação e previsão da RAA (métodos químicos e os que simulam o comportamento de estruturas reais em barras de argamassa e prismas de concreto) não apresentam uniformidade de resultados entre si. Os estudos, também, não são unânimes quanto à definição das fases minerais e dos aspectos morfológicos responsáveis pela reatividade dos agregados graníticos e como estes participam do processo de formação de produtos, em função do tempo. A ausência de respostas conclusivas sobre estes problemas motivaram a realização desta pesquisa e a construção dos seus objetivos e métodos.. Percebeu-se, assim, que sistemas complexos como os agregados graníticos e a RAA demandam a complementaridade do uso de técnicas de caracterização para uma análise. 5.

(23) pertinente dos eventos. Além disso, há a necessidade de desenvolvimento de métodos que, em curto espaço de tempo, facilitem a caracterização microestrutural dos agregados prevendo, eficazmente, a manifestação da RAA nas estruturas de concreto, em médio e longo prazo.. 1.3. OBJETIVOS O escopo geral da tese é contribuir com as metodologias de identificação e previsão da RAA a partir de agregados graníticos. O estudo pretende analisar o efeito da técnica de microondas na microestrutura dos agregados graníticos visando à previsão da manifestação da reação álcali-agregado (RAA) em estruturas de concreto. Para tanto, tem como objetivos específicos: a) Analisar a influência das características composicionais, mineralógicas e texturais dos agregados graníticos na previsão da RAA; b) Avaliar o potencial de aplicabilidade da técnica de microondas para identificação e previsão da formação de produtos da RAA a partir de agregados graníticos; c) Analisar a influência do tratamento por microondas nas características composicionais, microestruturais e morfológicas dos agregados graníticos com consequência na RAA.. 1.4. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA Esta pesquisa foi classificada quanto à área de conhecimento, baseando-se na classificação do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), e quanto à sua natureza, aos seus objetivos, aos seus procedimentos técnicos e à forma de abordagem do problema, segundo PRODANOV & FREITAS (2013).. 6.

(24) 1.4.1. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO À ÁREA DE CONHECIMENTO Este trabalho, desenvolvido na linha de pesquisa “Tecnologia de Materiais e Componentes Aplicados à Construção Civil”, insere-se na grande área “Engenharias” correlacionando a área “Engenharia Civil”, subárea “Construção Civil”, especialidade “Materiais e Componentes de Construção”, com a área “Engenharia de Materiais e Metalúrgica”, subárea “Materiais Não Metálicos”, especialidade “Materiais Conjugados Não Metálicos”.. 1.4.2. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO À SUA NATUREZA Sob o ponto de vista da sua natureza, uma pesquisa pode ser classificada como pesquisa básica ou pesquisa aplicada. A pesquisa desenvolvida nesta Tese configura-se como uma pesquisa aplicada, pois objetiva gerar conhecimentos para aplicação prática, dirigidos à solução de problemas específicos, envolvendo situações e interesses locais.. 1.4.3. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO AOS SEUS OBJETIVOS Quanto a esse ponto de vista, as pesquisas podem ser classificadas como pesquisa exploratória, pesquisa descritiva ou pesquisa explicativa. O estudo aqui apresentado tem como objetivo o aprofundamento de uma realidade, por meio de manipulação e controle de variáveis, utilizando métodos experimentais e estudando em profundidade as variáveis que colaboram com o fenômeno. Esta especificidade classifica este estudo como uma pesquisa explicativa.. 7.

(25) 1.4.4. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO AOS SEUS PROCEDIMENTOS TÉCNICOS Considerando a maneira como se obtiveram os dados necessários para esta pesquisa, pode-se classificá-la como uma pesquisa experimental, já que foram selecionadas variáveis capazes de influenciar o objeto de estudo (a RAA), definindo formas de controle das variáveis e formas de observação dos efeitos produzidos, utilizando, mais especificamente, a pesquisa de laboratório.. 1.4.5. CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA QUANTO À FORMA DE ABORDAGEM DO PROBLEMA A maneira pela qual se pretende analisar o problema ou fenômeno e o enfoque adotado determina uma metodologia quantitativa ou qualitativa. Esta Tese de Doutorado priorizou a observação e o entendimento do fenômeno “reação álcali-agregado” utilizando, principalmente, técnicas de caracterização qualitativas, sendo estas a Difratometria de Raios X (DRX), a Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), a Espectroscopia no infravermelho (FTIR) e a Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Apesar de utilizar as bases de um planejamento experimental e a quantificação de alguns parâmetros - como, por exemplo, a sílica dissolvida por Espectroscopia de Emissão Óptica (ICP/OES) e a composição química por Fluorescência de Raios X (FRX) - não utiliza dados matemáticos e estatísticos como o centro do processo de análise do problema e não há a preocupação em comprovar, quantitativamente, hipóteses previamente estabelecidas. Essas características fazem deste estudo uma pesquisa predominantemente qualitativa.. 8.

(26) 1.5. ESTRUTURA DA TESE A Tese foi dividida em seis capítulos. No capítulo 1 foi realizada uma breve explanação sobre a RAA, como ela está inserida no meio científico e na construção civil, além de situar a pesquisa nas necessidades atuais, definindo objetivos, justificando e classificando o estudo. No capítulo 2, Estado da Arte, são apresentadas informações, com base na literatura, sobre a química e o mecanismo da RAA, além do problema dos agregados graníticos e dos métodos de ensaio, introduzindo os princípios e aplicações da técnica de microondas. No capítulo 3 é apresentada a metodologia para atender os objetivos deste trabalho. No capítulo 4 são apresentados os resultados com discussão para as etapas experimentais. No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões e no Capítulo 6 as sugestões para estudos futuros.. 9.

(27) 2. ESTADO DA ARTE 2.1. DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DA RAA Em linhas gerais, a RAA ocorre quando alguns minerais presentes nos agregados reagem quimicamente com os cátions (Na+, K+ e Ca2+) provenientes, principalmente, mas não exclusivamente, do cimento, formando um gel higroscópico que na presença da umidade pode causar fissuras e até trincas no concreto, comprometendo sua estabilidade dimensional, sua capacidade de carga e a sua durabilidade. Esta definição representa bem a complexidade do fenômeno com as suas variáveis. Os dois principais elementos que geram a RAA (constituintes mineralógicos do agregado e os álcalis) dão margem a questionamentos. Os agregados considerados reativos apresentam composições e aspectos morfológicos extremamente variados influenciando diferentemente na ocorrência da RAA e os álcalis, essenciais para a reação, não têm como única fonte os cimentos. Estudos mostraram que alguns agregados contribuem na formação de um ambiente alcalino propício à RAA (BÉRUBÉ et al., 2002, CONSTANTINER & DIAMOND, 2003, LAGERBLAD, 2012, MENÉNDEZ et al., 2012). Além disso, a água de amassamento, os aditivos químicos, as adições minerais e, especialmente, o ambiente de exposição devem ser considerados no estudo do fenômeno. Tipicamente, as reações podem levar entre menos de 1 ano a até mais de 10 anos para se desenvolver (JENSEN, 2012).. As mais evidentes manifestações da RAA nas estruturas são as fissuras e os deslocamentos de membros estruturais. Porém as fissuras, resultado de excessivas tensões internas de tração podem, também, serem causadas por outras ações como carregamentos externos excessivos, retrações térmicas, corrosão das armaduras e ataques internos e externos de sulfatos. Estudos defendem as fissuras decorrentes da 10.

(28) RAA com morfologia “em mapa”, porém a complementaridade das técnicas de caracterização se faz necessária para o devido diagnóstico da manifestação. A figura 2a mostra fissuras em forma de mapa e a figura 2b mostra trincas com aproximadamente 10 mm de abertura, em estruturas de concreto da Usina Hidrelétrica Jaguari (SP) afetadas pela RAA (SALLES et al., 2010). Porém, as figura 2c e 2d mostram fissuras e trincas, em bloco de fundação de um edifício residencial multipavimentos em João Pessoa-PB, com diagnóstico descartando a RAA e apontando provável falha estrutural e/ou retração térmica, após ensaios macro e microestruturais em testemunhos de concreto extraídos das peças afetadas (BARBOSA et al., 2009).. Figura 2 – (a) e (b) Fissuras e trincas por RAA (SALLES et al., 2010); (c) e (d) Fissuras e trincas por falha estrutural e/ou retração térmica (BARBOSA et al., 2009) .. 11.

(29) A NBR 15577-1 (2008) subdivide a RAA em três tipos: a) reação álcali-sílica (RAS); b) reação álcali-silicato, e; c) reação álcali-carbonato (RAC). A maioria dos trabalhos reúnem os tipos “a” e “b” em uma única classificação, denominada reação álcali-sílica (RAS). TIECHER (2010) cita que os silicatos amorfos ou com baixíssima cristalinidade, desencadeiam a reação do tipo álcali-sílica e os silicatos mais cristalizados desencadeiam a reação álcali-silicato. Sendo assim, dada à variedade de silicatos existentes, as reações álcali-sílica e álcali-silicato, se assim definidas, podem ocorrer simultaneamente no concreto. Já a reação álcali-carbonato (RAC) é um tipo de reação em que participam os álcalis e os agregados rochosos carbonáticos e sua forma mais conhecida de deterioração no concreto é o enfraquecimento da ligação pastaagregado, não havendo formação de gel expansivo (NBR 15577-1, 2008). Neste trabalho, a expressão “reação álcali-agregado (RAA)” foi usada para se referir as reações álcali-sílica e álcali-silicato que poderiam ocorrer simultaneamente com os agregados graníticos usados.. Com o desenvolvimento gradual das pesquisas, a classificação da RAA tem sido considerada de acordo com a cinética de reação. JENSEN (2012) propõe três grupos: a) agregados de reações lentas, tendo como constituintes reativos o quartzo altamente deformado, recristalizado, com formação de subgrãos e ainda com a presença de quartzo microcristalino e criptocristalino; b) agregados de reações rápidas, cujos constituintes reativos são os minerais vítreos ou amorfos, como os vidros vulcânicos e a opala, incluindo também o quartzo criptocristalino, e; c) agregados de reações muito rápidas, que incluem componentes como cristais finos de dolomita e argilominerais expansivos.. 12.

(30) 2.2. A QUÍMICA E O MECANISMO DA RAA A cada estudo novas contribuições surgem para complementar as pesquisas pioneiras, colaborando com a compreensão do mecanismo e da química da RAA. O mecanismo se inicia por uma reação ácido-base com a liberação dos íons hidroxila (OH-) e dos íons Na+ e K+, provenientes dos constituintes solúveis do cimento, na solução de poros do concreto. Há a reação dos íons hidroxila (OH-) com os grupos silanol (Si-OH) e, em um segundo estágio, com os grupos siloxano (Si-O-Si), que têm suas ligações quebradas formando pares Si-O- dissociados, promovendo a dissolução dos silicatos. Nos dois estágios há a liberação de água e os cátions (Na+, K+) são atraídos para contrabalancear as cargas negativas e formar o gel (DENT GLASSER & KATAOKA, 1981, KURTIS & MONTEIRO, 2003). Os silicatos amorfos ou com baixíssima cristalinidade permitem a penetração dos íons (OH-, Na+ e K+) no interior da rede cristalina intensificando as reações, ao contrário dos silicatos cristalinos que têm estrutura “fechada” que dificulta a entrada de íons (PRISZKULNIK, 2005, HASPARIK, 2011).. Partindo deste mecanismo, vários estudos usaram a dissolução da sílica em estudos quantitativos e qualitativos para avaliar a reatividade de diversos agregados e silicatos (e.g. BULTEEL et al., 2002, LEEMANN & HOLZER, 2005, TIECHER et al., 2012, GAO et al., 2013a). CHATTERJI (2005) comenta que as cargas negativas quando contrabalanceadas pelos íons de cargas positivas, formam uma dupla camada elétrica na superfície dos grãos individuais. Segundo o autor, o potencial elétrico negativo dá preferência à migração de íons bivalentes (Ca2+) o que explicaria, em alguns casos, a presença do cálcio nos produtos de reação. SIMS & POOLE (2003) reforçam que o hidróxido de cálcio. 13.

(31) (Ca(OH)2) seria um dos fatores críticos para a ocorrência da RAA e que explicaria a eficácia de algumas adições minerais (sílica ativa, escória de alto-forno, cinzas volantes, etc.) como mitigadores da expansão, justamente por utilizarem o hidróxido de cálcio em suas reações químicas.. Para a compreensão da RAA, uma explicação sobre a origem e o significado da solução de poros no concreto se torna indispensável. O fator água/cimento é um importante parâmetro na fase da mistura do concreto. Comumente, seus valores estão entre 0,35 e 0,60 permitindo uma trabalhabilidade adequada, enquanto fresco, durante a execução da estrutura. Porém, valores baixos do fator a/c, próximos de 0,25, seriam suficientes para a completa hidratação do cimento e acima disto, uma fase aquosa em excesso é formada. Durante os estágios iniciais da hidratação, a fase aquosa é mais abundante. Posteriormente, produtos de hidratação (C-S-H, Ca(OH)2, etc.) são formados tornando a fase aquosa gradualmente descontínua, permanecendo um espaço para acomodar o fluido remanescente, daí o termo “solução de poros”. Esta serve como uma ponte entre os produtos de hidratação do cimento e os agregados, permitindo que materiais de espécies solúveis, como os íons hidroxila e os íons alcalinos, sejam transportados.. CHATTERJI (2005) cita que a composição da solução de poros afeta a taxa e a extensão da reação álcali-agregado. Até às primeiras oito horas, a solução contém uma mistura de íons Ca2+, K+, Na+, OH- e SO42-. Após este tempo, a concentração de Ca2+ e SO42- cai rapidamente e aquela de álcalis e íons hidroxila aumenta, tanto que, segundo o autor, a solução dos poros é convertida em um concentrado de hidróxidos alcalinos e apenas traços de íons de cálcio e pouca sílica são encontrados. Porém, TREMBLAY et al. (2010) reforçam que os íons de cálcio (Ca2+) têm um importante papel na formação. 14.

(32) do gel, apresentando significativo teor de cálcio em sua composição. Explicam que testes de imersão em soluções alcalinas por longos anos, utilizando vários agregados com sílicas reativas, porém livres de cálcio, claramente demonstraram que grande quantidade de sílica pode ser dissolvida e permanecer na solução até que Ca(OH)2 fossem incorporado ao sistema, resultando na precipitação de gel rico em álcalis, silício e cálcio.. Um fator preponderante para a RAA é a umidade. A água tem um duplo papel na reação: primeiramente, é essencial para “conduzir” os íons alcalinos e hidroxilas e, secundariamente, é absorvida pelo gel higroscópico que incha, desenvolvendo pressão suficiente para fissurar o concreto.. SIMS & POOLE (2003) indicam que qualquer umidade relativa em excesso (em torno de 75%) é considerada como desencadeadora da reação. Isso significa que qualquer concreto exposto a ambientes externos úmidos e quentes estará em risco, se contém materiais reativos. Experiências em regiões desérticas dos E.U.A., com periódicas inundações, comprovaram que podem ocorrer expansão e fissuração do material por RAA mesmo nestas condições.. Geralmente, o gel se concentra ao redor da superfície dos grãos reativos, podendo também, quando suficientemente fluido, exsudar ao longo das fissuras, preenchendo vazios e alcançando, em alguns casos, a superfície do concreto. HASPARIK (2005), após estudos com géis exsudados em estruturas da galeria de drenagem do vertedouro da Usina Hidrelétrica de Furnas, citou que os produtos apresentaram superfície lisa a rugosa, rígidos, semelhante a vidro por se quebrarem quando golpeados.. 15.

(33) Como a maioria das reações químicas, a RAA se intensifica com o aumento da temperatura. Segundo CHATTERJI (2005) é mais fácil detectar a reação em altas temperaturas, porém, expansões de longa duração podem ser maiores em baixas temperaturas. A norma brasileira que trata da RAA, a NBR 15577 (2008), em suas partes 4 e 6, regulamentam a exposição das barras de argamassa à temperatura de 80oC, por 30 dias, e prismas de concreto, a 38oC, por um ano, respectivamente.. Como será explicitado no item 2.5 e demonstrado na parte experimental deste trabalho, agregados graníticos podem ser qualificados como inócuos em virtude das suas reações serem lentas e não detectadas por completo em ensaios de barras de argamassa a 80°C, em 30 dias, em ambiente com elevada alcalinidade. Tempos mais longos, com menores temperaturas e alta concentração de NaOH, podem ser mais condizentes com o comportamento em estruturas reais, mas, inviabilizados pela necessidade de respostas com métodos mais rápidos e eficazes na previsão da RAA.. 2.3. A INFLUÊNCIA DO CIMENTO PORTLAND NA RAA O clínquer dos cimentos Portland tem como matérias-primas básicas as pedras calcárias (75 a 80%) e as argilas (20 a 25%), calcinadas em fornos, a altas temperaturas (aproximadamente 1450 oC), onde uma série de reações químicas ocorrem enquanto os materiais são progressivamente queimados. Durante as transformações mineralógicas no interior do forno, as fases minerais naturais, como a calcita, a dolomita, o quartzo, o plagioclásio, a caulinita, a biotita, a muscovita, a hematita, entre outras, são transformadas em minerais metaestáveis, cujo campo de estabilidade térmica envolve temperaturas acima de 1000°C. São formados, assim, os silicatos cálcicos (alita,. 16.

(34) Ca3SiO5, e belita, Ca2SiO4) e os aluminatos e ferroaluminatos cálcicos (Ca3Al2O6 e Ca4Al2Fe2O10). A alita (C3S) e a belita (C2S) são os principais responsáveis pelo endurecimento e resistência mecânica. Os aluminatos (C3A) também respondem pelo endurecimento e os ferroaluminatos (C4AF) têm importância fundamental na resistência química do cimento. Em menores proporção e importância, são também constituintes do cimento anidro, a “cal livre” (CaO), o MgO e os sulfatos alcalinos encontrados em cimentos cujas matérias primas são ricas em Na e K, que podem contribuir para a formação dos produtos da RAA (BATTAGIN, 2011).. O Na e o K estão presentes, também, nos principais constituintes do clínquer anidro (silicatos cálcicos, aluminatos e ferroaluminatos cálcicos), em teores entre 0,1 e 1%, e 0,1 e 4 %, quando expressos na forma dos óxidos Na2O e K2O, respectivamente. Os aluminatos são os que retêm a maior porcentagem desses elementos. (CINCOTTO, 2011). Após a hidratação do cimento anidro, dá-se início um processo complexo de formação dos produtos hidratados. Quando todo volume de água está disponível se inicia a dissolução de acordo com a solubilidade de cada fase constituinte do cimento anidro, liberando íons à solução, que formarão os produtos em um processo de endurecimento ao longo do tempo, respeitando o mecanismo e a cinética de reação de cada fase (CINCOTTO, 2011). Com a evolução do endurecimento, remanesce a solução de poros rica em íons, incluindo Na+, K+, Ca2+ e OH-.. Os principais produtos formados com a hidratação do cimento são: o C-S-H (silicato de cálcio hidratado, com estequiometria e morfologia variável), considerado o produto. 17.

(35) mais importante e que determina as propriedades mecânicas da pasta de cimento, compondo 50 a 60% do volume dos sólidos da pasta; o Ca(OH)2, ou portlandita, com morfologia em forma de placas hexagonais e com contribuição limitada à resistência da pasta, compondo entre 20 e 25% do volume dos sólidos; e os sulfoaluminatos de cálcio, como a etringita, com forma de cristais prismáticos aciculares, que possuem papel secundário nas relações entre microestrutura e propriedades do sólido e correspondem a 15 a 20% do volume dos sólidos (MEHTA & MONTEIRO, 2008). A depender da solubilidade das fases formadas, em contato com a água dos poros, estas contribuirão mais ou menos para a liberação de íons OH-. É reconhecido que o hidróxido de cálcio é um importante fornecedor de íons OH- quando em reação com a água.. Com a certeza da presença dos íons alcalinos na solução de poros do concreto, vários autores discorrem sobre a adoção de um teor máximo de álcalis no cimento (LEEMANN & LOTHENBACH, 2008, LINDGARD et al., 2012). No Reino Unido, adotou-se o conteúdo ideal de álcalis em relação à massa de concreto, sendo este menor que 3,0 kg/m3, mas, em alguns casos, os efeitos das reações foram observados embora os níveis de álcalis estivessem abaixo deste limite (BATTAGIN, 2011).. Além dos produtos do cimento, a concentração de Na+, K+ e OH- pode ter origem, também, na água de amassamento, nas adições minerais, nos aditivos químicos, nas águas superficiais e subterrâneas, além da possibilidade de serem liberados pelos agregados ricos em feldspatos e micas, o que torna o controle do teor de álcalis no concreto um problema bastante complexo.. 18.

(36) 2.4. OS. AGREGADOS. GRANÍTICOS,. SUAS. MINERALOGIA,. MICROESTRUTURA E CORRELAÇÃO COM A RAA No mundo inteiro são encontrados agregados reativos e não reativos de acordo com a composição mineralógica e/ou a textura da rocha de origem. A classificação quanto à reatividade tem um forte caráter ligado às características texturais que variam de uma região a outra. O primeiro passo para a avaliação do potencial reativo deve ser a caracterização petrográfica, porém, não é confiável apenas uma genérica classificação do tipo de rocha. Devido a diferentes históricos geológicos e condições ambientais, um tipo de rocha pode ser inócuo em um país ou região e reativo em outros (LINDGARD et al. 2012).. Os agregados graníticos usados para concreto são originados das rochas de natureza ígnea. Essas rochas são formadas pelo resfriamento do magma e são subdivididas em: a) vulcânicas ou extrusivas que, após erupções vulcânicas, sofrem resfriamento rápido em contato com o ar, formando assim rochas ricas em vidros, como o basalto; e b) plutônicas ou intrusivas, cujo magma resfriado no interior da crosta forma rochas mais bem cristalizadas, como por exemplo, as graníticas.. As rochas graníticas contêm, em maior proporção, o quartzo e os feldspatos alcalinos e plagioclásios, dos quais os feldspatos são os mais abundantes e amplamente distribuídos na rocha. Ainda são encontradas em menor proporção, as hornblendas (silicatos quimicamente complexos do grupo dos anfibólios), a biotita (a mais comum das micas ígneas), pequenas quantidades de minerais opacos, como óxidos de ferro e titânio, e minerais acessórios, constituídos por elementos excluídos ou que não conseguiram ser completamente acomodados nas fases essenciais, como por exemplo, o zircão e a. 19.

(37) titanita. A composição mineralógica reflete a composição química da crosta ou do manto e os elementos mais comuns (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K e Mg) são distribuídos nos minerais constituintes das rochas graníticas ígneas (COSTA, 2013).. O quartzo, do grupo dos tectosilicatos, é a forma mais comum de sílica (SiO2) nas rochas ígneas ácidas. Estruturalmente, possui um átomo de silício, no centro de um tetraedro, ligado a quatro átomos de oxigênio. Cada oxigênio desta estrutura é ligado a dois tetraedros iguais formando um arranjo tridimensional (KLEIN & HURLBUT JR, 1999). Em sua formação original, tem ligações atômicas fortes e estrutura densa, sendo relativamente não reativos na presença da maioria dos ácidos ou álcalis.. Os feldspatos, do grupo dos tectosilicatos, possuem, também, todos os íons de oxigênio de cada tetraedro de SiO4 compartilhados com outros tetraedros vizinhos, resultando em uma estrutura fortemente unida e estável. A composição química e nomenclatura dos feldspatos podem ser analisadas por um sistema ternário. KAlSi3O8 (ortoclase) –. NaAlSi3O8 (albita) – CaAl2Si2O8 (anortita), mostrado na figura 3, cujos vértices são os termos extremos das soluções sólidas encontradas nos feldspatos. Os feldspatos alcalinos, também denominados de feldspatos sódico-potássicos, variam seus teores de Na e K, entre a albita e o ortoclásio, e os feldpatos cálcico-sódicos (plagioclásios) variam seus terores de Na e Ca entre a albita e a anortita, com substituição concomitante de Si por Al. A substituição de K por Ca, e vive-versa, é muito restrita. A microclina possui a mesma composição do ortoclásio (KAlSi3O8), diferenciando-se na configuração das suas estruturas cristalinas (KLEIN & HURLBUT JR, 1999, COSTA, 2013).. 20.

(38) Durante a cristalização dos minerais na formação das rochas graníticas, os plagioclásios são os primeiros a serem formados e os espaços entre eles são preenchidos com os feldspatos alcalinos e o quartzo. Essa ordem de crescimento faz com que os grãos dos minerais formados no estágio final da cristalização apresentem faces mal definidas, ou seja, tenha a forma anédrica (PONCE & BATIC, 2006, COSTA, 2013). Os grãos euédricos e subédricos são aqueles que possuem faces mais bem definidas e parcialmente definidas, respectivamente. PONCE & BATIC (2006) indicam que, para o quartzo, essa forma natural e intrínseca de crescimento pode ser um dos fatores que permitem acesso das soluções alcalinas ao interior dos grãos. 21.

(39) Os agregados graníticos parecem ser pouco vulneráveis à RAA em virtude da estabilidade das fases minerais principais (quartzo e feldspatos). Porém, quando as rochas graníticas sofrem metamorfismo por imposição de tensões ou gradientes de temperatura, os minerais desenvolvem microestruturas diferenciadas com o objetivo de reduzir as tensões acumuladas e a energia livre nos cristais. Essas modificações morfológicas são apontadas como as responsáveis pela entrada dos íons das soluções alcalinas com subsequentes reações químicas. Tais íons podem atacar os minerais de diferentes formas de acordo com a sua vulnerabilidade, mostrando que em um mesmo agregado existem fases mais ou menos reativas que outras.. As diversas características texturais decorrentes dos processos térmicos e/ou mecânicos e a ação simultânea de vários componentes reativos dificultam a identificação direta e explícita dos fatores mais responsáveis pela reatividade de cada agregado granítico usado.. Para o quartzo, por exemplo, com o aumento da deformação este passará a apresentar extinção ondulante1 e formará bandas e lamelas de deformação. Em estágios mais avançados, poderá ocorrer a “recristalização em subgrãos” que tende a eliminar as deformações dos cristais com a migração dos contornos de grãos e rotação de subgrãos. Ao final deste processo os subgrãos formados se apresentam livres de defeitos em sua rede cristalina e orientação estrutural ligeiramente distinta entre si, processo também chamado de “recuperação de grãos” (PONCE & BATIC, 2006, LOCATI et al., 2010, TIECHER et al., 2012, COSTA, 2013, ŠACHLOVÁ, 2013). A figura 4 esquematiza o processo de deformação do quartzo e a formação de subgrãos. 1. Efeito óptico causado pela rotação da platina no microscópio, desenvolvida quando um mineral sofreu esforços mecânicos durante o metamorfismo.. 22.

(40) Figura 4 – Representação esquemática da deformação do quartzo e da formação de subgrãos.. Diversos estudos contribuíram para a indicação das principais fases responsáveis pela reatividade dos agregados originados das rochas graníticas. WIGUM (1995), em estudo com rochas graníticas deformadas, afirmou que com a formação de subgrãos de quartzo, a área total de contornos de grãos e o tamanho dos grãos seriam os parâmetros quantitativos mais favoráveis relacionados às expansões. WENK & MONTEIRO (2008) indicaram que o aumento da deformação acompanhado da redução do tamanho dos grãos de quartzo levaria ao aumento da densidade de discordâncias e este seria um importante fator de reatividade. Porém, recentemente, HAGELIA & FERNANDES (2012) afirmaram que o tamanho dos grãos de quartzo pode ser menos importante, considerando que a dissolução dos feldspatos e das micas poderia controlar parcialmente a reatividade. Os autores mostraram que estruturas afetadas pela RAA 23.

(41) apresentaram produtos associados a grãos de quartzo grandes – com até 1500 µm - e essencialmente livres de deformação, enquanto que milonitos graníticos com quartzo microcristalino com baixo teor de mica foram apresentados como inócuos. LEEMANN & HOLZER (2005) em estudos de dissolução de agregados complexos em soluções extremamente alcalinas, mostraram que grãos de quartzo com diferentes tamanhos apresentaram fenômenos de dissolução similares e por isso o grau de lixiviação após o tratamento seria independente do tamanho dos grãos. TIECHER et al. (2012) em estudos de dissolução com três agregados brasileiros (um granito, um milonito e um quartzito), os quais apresentaram diferentes graus de deformação, concluíram que grãos apresentando texturas mais deformadas (pertencentes ao quartzito e ao milonito), com marcante extinção ondulante e bandas de deformação, dissolveram mais facilmente e apresentaram maiores expansões em barras de argamassa em detrimento do granito que apresentou maior teor de subgrãos de quartzo recristalizado. Assim, ainda não se apresenta na literatura estudos conclusivos sobre a influência dos subgrãos de quartzo e do quartzo com reduzidas dimensões, indicando a necessidade de continuidade de estudos com estruturas em campo e testes em laboratório.. Além disso, outras características associadas às rochas graníticas são descritas também como relevantes, como as foliações, fissuras e as alterações dos minerais, em especial os feldspatos, que serviriam como acesso das soluções alcalinas ao interior dos minerais (PONCE & BATIC, 2006). A presença da mica, especialmente a intersticial também parece afetar a reatividade do agregado (WENK & MONTEIRO, 2008, FERNANDES, 2009).. 24.

(42) A ação simultânea dos fatores descritos indica a complexidade deste tipo de agregado e as diversas fases, com diferentes graus de suscetibilidade, acarretam também, em reações com comportamento cinético diferenciado. Reações lentas, ao longo dos anos, podem vir a ocasionar efeitos mais deletérios que aquelas mais rápidas. Esta característica da RAA fez com que JENSEN (2012) a classificasse em três tipos de acordo com a cinética da reação, como apresentado no item 2.1. deste trabalho.. Esta complexidade aponta, também, para a necessidade de estudos levando em conta a origem e a utilização dos agregados graníticos nas diferentes localidades. Os estudos no Brasil mostraram a diversidade de respostas frente à RAA. VALDUGA (2002), em estudos com agregados de 26 localidades no Estado de São Paulo, concluiu que quatro dos seis agregados graúdos graníticos, apesar de não apresentarem expansões acima dos limites nos testes acelerados em barras de argamassa, foram considerados potencialmente reativos por possuírem quartzo deformado e com extinção ondulante, além de géis com morfologias variadas dentro dos poros da argamassa. COUTO et al. (2008) estudaram três agregados graníticos de Goiás, com granulação média, dois deles com estrutura maciça e um com estrutura foliada, todos com quartzo apresentando expressiva extinção ondulante, porém, o granito foliado foi o único a alcançar o limite de expansão das barras de argamassa. Na região Nordeste, agregados graúdos milonitizados, da Região Metropolitana do Recife, foram estudados por SILVA et al. (2009) concluindo que as maiores expansões em barras de argamassa foram atribuídas aos agregados com maiores teores de quartzo microcristalino exibidos na análise petrográfica, porém feldspatos alterados e biotita foram detectados nos agregados.. 25.

(43) Em Sergipe, três diferentes agregados graúdos de natureza metamórfica, coletados nas usinas produtoras de concreto, foram avaliados por análise petrográfica e por medidas de expansão em barras de argamassa por CARDOSO et al. (2009). Apesar de apenas dois deles apresentarem orientação dos grãos de quartzo, os três agregados foram apresentados como potencialmente reativos.. 2.5. OS MÉTODOS QUÍMICOS E OS AGREGADOS GRANÍTICOS A complexidade do estudo das rochas graníticas frente à RAA está condicionada, principalmente, à sua constituição polifásica. Importantes estudos foram realizados usando. agregados. e. silicatos. monofásicos. ou. menos. complexos,. alguns. reconhecidamente reativos ou inócuos, como a opala, vidro de sílica, sílica gel, microssílica, areias, etc. (e.g. BULTEEL et al., 2004, MITCHELL et al., 2004, BOINSKI et al., 2010, MO & FOURNIER, 2007, LEEMANN et al., 2011) mostrando que é imprescindível estudar partes para se conhecer o todo.. Os poucos estudos direcionados aos agregados graníticos, detalhados no item 2.4., mostraram o quão difícil é separar o comportamento das diferentes fases e apontar as principais responsáveis pela reatividade, já que a ação simultânea destas trazem resultados diferentes da sua contribuição quando estudadas isoladamente.. Além da complexidade que envolve a formação dos agregados graníticos, problemas são encontrados nos métodos para avaliação da sua reatividade. A análise petrográfica inicial é extremamente recomendada, pois dá acesso à composição mineralógica e às suas características texturais. Porém, é necessária a avaliação do comportamento do agregado em ambiente químico minimamente similar ao campo. Os que mais se. 26.

(44) aproximam das condições reais das estruturas podem chegar a um ano de experimento, como no caso do método dos prismas de concreto, no Brasil regido pela norma NBR 15577-6. (2008).. Os. métodos. acelerados. em. barras. de. argamassa. são. soluções rápidas e muito empregados, porém, há registros de incompatibilidade com os métodos de tempos mais longos, como verificado por SANCHEZ et al. (2009).. Os métodos químicos, por sua vez, avaliam os agregados em um espaço de tempo mais curto, utilizando variados tratamentos e técnicas de caracterização. Um dos métodos químicos mais discutidos é o regido pela ASTM C289 (2007) e algumas pesquisas propuseram sua alteração com objetivo de otimizar as avaliações, já que o método parece não ser apropriado a uma série de agregados, incluindo alguns granitos, como concluído por TIECHER et al. (2010).. A tabela 1 resume métodos químicos encontrados na literatura com observações importantes para a construção desta pesquisa. Mostra que ainda não existem métodos plenamente estabelecidos para avaliar a RAA, em especial pela dependência com a variabilidade das características intrínsecas de cada agregado.. 27.